熱電偶應用中冷結點補償的實現

　　因為熱電偶是差分溫度測量器件，在處理熱電偶信號時以冷結點作為參考點，考慮到非零攝氏度冷結點的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行冷結點補償。本文比較了幾種冷結點補償器件，并以硅溫度傳感器檢測IC為例介紹了三種應用設計方法和測量的結果。

　　溫度測量應用中有多種類型的傳感器，熱電偶是zui常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器（RTD）、熱電調節(jié)器、溫度檢測集成電路（IC）相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應時間使其成為各種工作環(huán)境下的。當然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可以很理想地用于測量系統(tǒng)。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數據轉換器進行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度范圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結點補償

　　熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬線構成，一段用作正結點，另一段用作負結點。表1列出了四種zui常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應的溫度測量范圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結點，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個結點溫差的函數。這利用了Seebeck效應，通常描述為熱能轉換為電能的過程。Seebeck效應與Peltier效應相反，Peltier效應為電能轉換成熱能的過程，典型應用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結點（熱結點）結電壓與參考結點（冷結點）結電壓之差。因為VH和VC是由兩個結的溫度差產生的，VOUT也是溫差的函數。比例因數α對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數。

　　圖1b所示是一種zui常見的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬（中間金屬）和兩個額外的結點。本例中，每個開路結點與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個額外結點，只要這兩個結點溫度相同，中間金屬（銅）不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。VOUT仍然是熱結點與冷結點溫差的函數，與Seebeck系數有關。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結點的實際溫度，冷結點溫度必須是已知的。冷結點溫度為0℃（冰點）時是一種zui簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結點測量電壓是結點溫度的直接轉換值。美國國家標準局（NBS）提供了各種類型熱電偶的電壓特征數據與溫度對應關系的查找表，所有數據均基于0℃冷結點溫度。利用冰點作為參考點，通過查找適當表格中的VH可以確定熱結點溫度。

　　在熱電偶應用初期，冰點被當作熱電偶的標準參考點，但在大多數應用中獲得一個冰點參考溫度不太現實。如果冷結點溫度不是0℃，那么，為了確定實際熱結點溫度必須已知冷結點溫度?？紤]到非零冷結點溫度的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行補償，即所謂的冷結點補償。

圖1：a. 環(huán)路電壓由熱電偶兩個結點之間的溫差產生。b. 常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結點，每條線的開路結點與銅恒溫線連接。

圖2：本地溫度檢測IC（MAX6610）確定冷結點溫度。熱電偶和冷結點溫度傳感器輸出電壓由16位ADC（MAX7705）轉換。

圖3：遠結點二極管靠近冷結點安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準電壓。

圖4：集成了冷結點補償的ADC，將熱電偶電壓轉換為溫度，無需外部元件

選擇冷結點結溫測量器件

　　為了實現冷結點補償，必須確定冷結點溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實現。在通用的溫度傳感器IC、熱電調節(jié)器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優(yōu)缺點，需要根據具體應用進行選擇。對于精度要求非常高的應用，經過校準的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內保持較高精度，但其成本很高。精度要求不是很高時，采用熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而溫度傳感器IC具有更高的線性度，因而性能指標更好一些。修正熱敏電阻的非線性會占用較多的微控制器資源。溫度感應IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。

　　因此，必須根據系統(tǒng)的實際需求選擇冷結點溫度測量器件，需要仔細考慮精度、溫度范圍、成本和線性指標，以便得到*的性價比。